基于单片机和LABVIEW的鸡蛋孵化环境控制系统开发

李鹏飞， 刘 源， 赵焕芬， 于亚萍

(天津农学院 工程技术学院， 天津 300384)

我国是世界家禽产业大国，孵化是家禽养殖的重要环节。以养鸡为例，生物学研究表明，在母体外孵化发育的鸡蛋胚胎易受外界因素影响，其中主要包括温度、湿度、光照强度等[1]，会直接影响鸡蛋的孵化率和孵化质量。若没有孵化控制设备，仅凭人工经验进行鸡蛋孵化，费时费力，孵化率最多在60%～70%。根据鸡蛋孵化过程要求，采用单片机和传感器对孵化过程的主要环境参数进行远程实时监控和精确控制，能够提高雏鸡孵化率在90%以上[2]，同时保证雏鸡成活率和质量。随着我国深入推进智慧农业发展，积极探索物联网技术在家禽养殖业中的应用，有利于提高家禽养殖业生产管理水平，促进家禽养殖业高质量发展。以鸡养殖为例，针对直接影响鸡蛋孵化率和孵化质量的主要环境参数，基于单片机和LABVIEW设计开发鸡蛋孵化环境控制系统，探索实现鸡蛋孵化环境智能精准控制的技术手段。

1系统构架和工作原理

系统由下位机Arduino单片机控制系统和上位机远程控制平台组成(图1)。下位机以单片机控制器为核心，其通过控制各采集模块定时采集温度、湿度和光照参数数据，同时将采集数据通过无线发送/接收模块传送给远程控制平台，后者接收后对其进行处理、分析、储存和显示。控制平台分析认为采集的参数数据未达适宜孵化环境要求时，向控制系统下达相应指令，后者调用相应的控制模块，启动相应的环境调节设备，实现对孵化环境参数的调控。

图1孵化环境控制系统的模块化设计

2系统硬件组成

系统由控制器、温湿度控制模块、光照控制模块、光照控制模块、显示控制模块、报警模块和数据传输模块6个部分组成。电路连接如图2所示。

图2孵化环境控制系统电路

2.1控制器

系统控制器选用 Arduino UNO模块，为基于ATmega328P单片机的开发板，晶体振荡器频率16 MHz，编程可通过Arduino IDE，无需使用额外编程器；有14个数字输入/输出引脚，其中6个可用于PWM输出、6个模拟输入引脚供用户自定义使用；可通过USB接口与计算机连接。

2.2温湿度控制模块

温湿度控制模块选用DHT11数字温湿度传感器模块，以单总线数字格式传输数据。测量范围：湿度20%～90% RH，温度0～50℃。模块供电电压为 3.0～5.5 V，VCC、GND和DATA 3个端口分别连接Arduino控制板的VCC、GND和数字引脚8。系统控制器发出1次采集数据的开始信号后，其由低功耗待机模式转变为高速运行模式，通过I2C总线进行温湿度数据传送[3]。当检测到温度超过阈值，通过光电耦合器件控制电机开启风扇降温；低于阈值时，开启补温灯进行升温。湿度高于阈值时，开启风扇通风降湿；低于阈值时，开启加湿器。

2.3光照控制模块

光照控制模块采用GY-30传感器，测量范围0～65 535 lx，供电电压3～5 V，GND、ADR、SDA、SCL和VCC 5个引脚分别连接Arduino板的GND、悬空、SDA、SCL和5 V电源。实时采集光照强度数据，当光照强度弱时，开启补光灯进行补光。

2.4显示控制模块

温湿度和光强值数据显示采用LCD1602显示屏实现。其LCD驱动器型号为PCF8574T，GND、VCC、SDA、SCL 4个接口分别与Arduino板的GND、5 V电源、A5、A4接口相连。

2.5报警模块

报警模块由现场报警模块与远程报警模块两组分部成。现场报警由蜂鸣器实现，在环境参数值超出警戒值时蜂鸣器收到高电平，进而发出报警声。远程报警采用9 V供电的F21模块，其RX、TX接口分别与系统控制模块的RX、TX连接，两者间采用串口通讯。当环境参数异常时，系统控制器向报警模块发送AT(警报)指令，蜂鸣器现场报警，同时F21模块通过自带的GSM功能向管理员打电话报警。

2.6数据传输模块

数据传输模块选用NRF24L01主从机一体式蓝牙无线传输模块，其单片无线收发器芯片工作在2.4～2.5 GHz的ISM频段，相应的通讯协议和输出功率频道可通过SPI接口进行设置。

3系统软件设计

3.1主程序

系统控制过程通过图3所示的主程序流程实现，主要包括环境参数数据采集、采集数据与警戒值及阈值的比较、环境控制模块调用和数据输出显示。

3.2环境控制程序

根据鸡蛋孵化过程中各阶段对环境参数的要求，设置环境参数的阈值和警戒值。将定时采集的环境参数数据与所设阈值进行比较，若温度高于阈值，系统开启风扇进行降温；温度低于阈值时，关闭风扇，打开暖光灯升温。同样，湿度高于或低于阈值时，关闭或开启加湿器。当光照强度低于阈值时，控制冷光灯进行补光。

图3孵化环境控制系统主程序流程

3.3远程控制平台

采用LABVIEW图形化程序开发环境设计开发远程控制平台程序(图4)，实现数据接收、处理、分析、储存和显示，以及下达相应控制指令等功能。前端界面如图5所示。

图4孵化环境控制系统远程控制平台的程序设计

图5孵化环境控制系统远程控制平台前端主界面

4系统测试

系统测试在实验室孵化箱中进行。精选100个种蛋，孵化周期为21 d。按照孵化过程对环境参数要求，先设定不同阶段的环境参数阈值，再启动系统。测试结果表明，系统运行正常，下位机和上位机配合，能够实现孵化环境自动调节，实时采集的现场温度、光照强度和温度正确显示，数据以txt文本格式储存(图6)。当超出阈值时，能实现及时触发相应报警，手机远程接收报警信息无误。

图6下位机采集数据显示(左)和远程端存储数据(右)

5结语

随着物联网技术在农业中的应用日趋成熟，运用物联网技术，系统集成各类环境传感器、数据传输和显示模块，以LABVIEW为软件开发环境，设计开发鸡蛋孵化环境控制系统。系统可定时采集温度、湿度和光照参数数据，并根据其与所设阈值的比较，自动控制温度、湿度和光照强度调节设备运行，并在环境参数值超出警戒值时自动进行现场和远程报警。同时，具有建设成本低、易开发、使用简便的优点，特别适宜中小型孵化场的孵化环境控制。